Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias. Isla de Lanzarote

Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias.
Isla de Lanzarote
J. FERNÁNDEZ>, R. VmrnA’>, A. P. VENEDIKOv> 2) AND J. L. DiEz~’
1) Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM).
Fac. CC. Matemáticas, Ciudad Universitaria, 28040-Madrid, Spain.
2) Geaphysical Institute.
Acad. O. Bonchev st., bl. 3, Sofia 1113, Bulgaria.
3) Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC).
José Gutieffez Abascal, 2. 28006-Madrid, Spain.
ABSTRACT: One of ¡he purposes of the research programs conducted by the
Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM) ami ¡he National Museum of
Natural Sciences (CSIC) in Canary Islands is ¡he researching inphenomena that
are volcanic eruption precursors. Lanzarote island has been selected like a labora¡ory
to develop a meí’odology of volcano monitoring in Canary. In 1987 a
geodynamic station was installed at the north of ¡he island. We describe in ¡his
paper tite resul¡s obtained ami ¡he stage of ¡he researching.
RESUMEN: Uno de los propósitos de los proyectos de investigación desarrollados
por el Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM) y el Museo Nacional
de Ciencias Naturales (CSIC) en Canarias es la investigación en fenómenos precursores
de actividad eruptiva. Se seleccioné Lanzarote como un laboratorio
donde desarrollar una metodología de vigilancia de riesgo volcánico, instalóndose
en 1987 una estación geodinómica en la isla. Describimos en este artículo los
resultados obtenidos y el estado de las investigaciones.
1. RIESGO VOLCANICO EN LAS ISLAS CANARIAS
Las islas Canarias, situadas a menos de 100 km del continente Mricano,
están localizadas en la elevación continental y construidas como estructuras Independientes.
A pesar de encantrarse en un margen pasivo, son una de los arcitipiélagos
volcánicas can una mayor itistoria eruptiva (Aralia, 1991). Entre 1500
y 1971 se han producido una docena de erupciones en las islas de Lanzarote,
Tenerife y La Palma. Actualmente, la única manifestación superficial de pmcesas
magmáticos son las anomalías térmicas residuales en estas islas y actividad fu-
Física de la Tierra, Núm. 5. 77-88. Editorial Complutense. Madrid, 1993

78 J. Fernández, R. Vieira, A.P. Venedikov y J.L. Díez
marólica en la isla de Tenerife. En Lanzarote persisten anomalías térmicas superficiales
asociadas a la erupción fisural de 1730-36 (Díez-Gil, 1992), y en La
Palma, el enfriamiento del residuo de la erupción del volcán Tenegula en 1971.
Si exceptuamos la erupción fisural de 1730-36 en Lanzarote, las erupciones
canarias son erupciones de magmas básicos, con fases eruptivas de flujos de lava
con actividad stromboliana asociada, que origina unos pocos conos volcánicos,
en cada una de ellas, y de duración limitada a pocas semanas. La separación
temporal media entre erupciones es de 40 años. Esta actividad volcánica plantea
un problema de riesgo volcánico moderado dada su persistencia en el tiempo, la
alta densidad de poblacion asentada en las islas y la actividad económica desarrollada
en ellas. Este riesgo volcánico moderado en las Islas Canarias plantea la
necesidad del desarrollode programas de vigilancia para el seguimientocontinuado
de la actividad volcánica. Estos programas han sido desarrollados por diversos
Organismos Nacionales en colaboración con los Organismos Internacionales correspondientes.
Dentro de los programas de investigación en vigilancia de riesgo volcánico
desarrollados por el Instituto de Astronomía y Geodesia (CSIC-UCM) (en adelante
IAG) en Canarias se planteó el establecimiento de un laboratorio para el desarrollo
de metodología en vigilancia de actividad volcánica realizando el seguimiento de
la muy reducida actividad actual. En este sentido se decidió el establecimiento de
una Estación Geodinámica en Lanzarote (Vieira el al., 1991 a) que actuara como
tal laboratorio. La elección de Lanzarote se hizo en función de ser la única de las
Islas con una erupción reciente (1730-36), fisural, de cierta entidad, alrededor de
1.3 km
3 de material lávico emitido, y con manifestaciones volcánicas residuales
importantes, anomalías térmicas superficiales de hasta 610 “C a 13 m de profundidad
(Díez-Gil, 1992b). El establecimiento de la Estación Geodinámica de la
Cueva de los Verdes, por el IAG, se inició en 1987.
Paralelamente ha venido realizándose la modelización de los principales efectos
volcánicos en la isla como base teórica imprescindible para la compresión de
las observaciones realizadas. En una primera fase se modelizaron las últimas
erupciones obteniéndose la geometría y profundidad de sus restos magmáticos a
partir de sondeos MT, (García, 1985). Con estos resultados se pudieron modelar
los efectos térmicos observados (Díez-Gil et al., 1987; Araña et al., 1984), llegándose
a la comprensión teórica de su probable origen. Continuando con la
modelización se han desarrollado modelos de los efectos geodésicos ligados a la
actividad volcánica (deformaciones y variaciones de gravedad) (Fernández, 1992;
Fernández and Rundle, 1993; Fernández et al., 1993a) basándonos en los trabajos
de Rundle (1980, 1982). Como consecuencia de esta modelización se obtienen
criterios para el diseño de la observación geodésica y los instrumentos y técnicas
más adecuados, tanto en estaciones geodinániicas como en observación ~n campo,
para el seguimiento de la actividad volcánica. Finalmente se han desarrollado los
necesarios métodos para el tratamiento de datos, a partir de los métodos de análisis
de mareas terrestres (Venedikov, 1966, 1984), idóneos para la vigilancia de actividad
volcánica en una estación geodinámica diseñada a tal fin.

4. Vigilancia del riesgo yolcánico en Canarias. Isla de Lanzarote 79
2. MODELO DE DEFORMACION, APLICACION A LANZAROTE
Necesitamos obtener las variaciones de gravedad y deformaciones originadas
en la superficie terrestre por una intrusión magmática. Consideramos la existencia
del campo gravitatorio, siendo el dominio donde se verifican las ecuaciones un
semiespacio estratificado, de n capas planas y itomogéneas, numeradas hacia el
interior del medio, siendo la última un semiespacio infinito. En (0,0,c) se situa
una intrusión magmática esférica como fuente de pérturbación. Por convenio se
considera z positivo hacia el interior del medio, siendo por tanto el valor de g
positivo. El considerar la estratificación existente en los modelos de Tierra es de
gran importancia cuando existe variación en las propiedades elásticas de las diferentes
capas (Fernández and Rundle, 1993). Al querer evaluar los efectos previos
a una erupción, estado inicial de actividad volcánica, se considera un medio
elástico.
Las ecuaciones que deben verificar el vector desplazamiento u y el potencial
de perturbación ~ en un espacio infinito, uniforme y elástico, en presencia de
gravedad son (Love, 1911; Rundle, 1980):
1 e 0
7 2u + 77~u + 7(u~e 2) — — e~ S7.u = 0 (1)
l-2a fi fi U
720 = — 4n~0G%u (2)
donde ~0 es la densidad constante no perturbada, G la constante de gravitación,
u la constante de Poisson y y la de rigidez. Rundle (1980) resuelve el sistema
[l]-[2] primeramente en un espacio infinito y homogéneo, y utiliza las soluciones
obtenidas para generar las correspondientes a un medio estratificado usando la
técnica de matrices propagantes. La solución de las ecuaciones (1 )-(2) para la
superfice z=0 del medio, estratificado quedan en la forma
u = M {x~(0)P. + y~(0)B0} kdk (3)
c5g = — dO = — M q~(0)J0 (kr)kdk + fi0u~ (4)
dz
donde 4(0). y~(O) y q~(0) son los núcleos de integración, que dependen de k y
de las características del medio; I’0 y B0 están dados en términos de la función de
Bessel de primera clase, de orden cero J0 (kr), r es la distancia en el plano z=0
del punto considerado a la proyección de la intrusión; y fi0 = 4nGe0 siendo e0
la densidad de la capa 1. Las expresiones explícitas para los distintos núcleos se
pueden ver en Fernández (1992) y Fernández and Rundle (1993). Se demuestra
un teorema de unicidad para esta solución (Rundle, 1982).
Las deformaciones y variaciones de gravedad producidas por una intrusión
esférica en un medio estratificado son la suma de los calculados para un centro

80 J. Fernández, R. Vieira, A.P. Venedikov y .J.L. Díez
de expansión y para una masa puntual (Rundle, 1982). Representamos el efecto
de una masa puntual unitaria por q y el efecto de un centro de expansión por x~
Las funciones q y ~ dependen de r, distancia radial, c, profundidad de la intrusión,
y de los parámetros r, que definen el modelo de corteza (espesores de las capas,
constantes de Lamé y densidades). El efecto total tiene la expresión
pa 3
c=Mq(r,c;r~)+ __ 10-2 x(r,c;r

4. Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias. Isla de Lanzarote 81
2
3
4
‘? 5
6
8
9
10
II
2
3
4
~? 5
6
8
9
10
II
DETECTION CURVES OF GEODETIC DEVICES. r = 1
0 0.1 0.2 0.3 OA 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
DETECTION CURVES OF GEODETIC DEVICES. r =5
‘ ‘4
4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
INTRUSION RADIUS (km)
Figura 1. Curvas de detección para las diferentes técnicas e instrumentos geodésicos y valores de
distancia radial en superficie a la intrusión dc 1 y 5 lun. Z, H representan métodos geodésicos útiles
para medir deformación vertical y horizontal respectivamente; GA y GR gravímetros; C clinómetros,
TG mareógrafos; EV y EH extensómetros verticales y horizontales. El área bajo las curvas representa
estados de intrusión magmática (radio y profundidad) no detectable (Fernández et al., 1993a).
4
4
u’

82 i. Fernández, R. Vieira, AP. Venedikov y J.L. Díez
2
3
4
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6
7
8
9
lo
11
2
3
4
~? 5
o
6
8
9
lo
II
DETECTION CURVES OF GEODETIC DEVICES. r = 10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
DETECTION CURVES OF GEODETIC DEVICES. r =30
.64
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•1
-:1
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—1
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1 1 1.
0 0,! 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 o» 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
INTRUSION RADIUS (km)
Figura 2. Curvas de detección para las diferentes técnicas e instrumentos geodésicos y valores de
distancia radial en superficie a la intrusión de lo y 30 km. Z, H representan métodos geodésicos
útiles para medir deformación vertical y horizontal respectivamente; GA y GR gravímetros; C clinómetros,
10 mareógrafos; EV y EH extensómetros verticales y horizontales. El área bajo las curvas
representa estados de intrusión magmática (radio y profundidad) no detectable (Fernández et al.,
1993a).

4. Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias. Isla de Lanzarote 83
3. ESTACION GEODINAMICA DE LANZAROTE
Con el objetivo fundamental de contribuir a la vigilancia e investigación
permanente de la dinámica actual de las islas que forman el Archipielago Canario
se decidió instalar una Estación Geodinámica en Canarias, entendiendo por tal un
centro de auscultación permanente en el que se fueran instalando sensores diversos
que de forma complementaria pudieran facilitar información sobre el estado actual
y la evolución temporal de los parámetros que definen la dinámica de la zona.
Las diferentes razones explicadas anteriormente en el texto, la entusiasta colaboración
del Cabildo Insular de Lanzarote, y las interesantísimas condiciones del
tunel volcánico del volcán de La Corona, decidieron que Lanzarote fuese la isla
donde se ubicara este centro de experimentación. Los objetivos científicos de esta
estación podemos resumirlos en los siguientes puntos (Vieira et al., 1991b):
1. Investigar en aspectos de interés geodinámico y vigilancia de riesgo volcánico,
considerando que la isla de Lanzarote es un lugar que puede ofrecernos
información de gran interés, ya que aunque la islaregistra una actividad moderada,
esta puede alterarse en cualquier momento.
2. Investigaciones en mareas terrestre y oceanicas en los aspectos que en
una isla de las características de Lanzarote tienen mayor interés: estudio de los
efectos de origen oceánico, correlaciones marea terrestre-espesor de la corteza y
marea-anomalías de flujo térmico, variaciones temporales y posibles modulaciones
en los factores de amplitud y desfasajes de los armónicos de marea, validez o no
de las Cartas de Schwiderski en la zona de las Islas Canarias, etc...
3. Investigación en instrumentación. El laboratorio es un lugar ideal para la
instalación de todo tipo de instrumentos de medida de parámetros físicos para la
comprobación y estudio de su comportamiento en una zona de actividad moderada,
con vistas a su posterior aplicación en zonas de crisis.
En la Estación Geodinámica de Lanzarote (EGL) podemos distinguir cuatro
módulos, tres de ellos situados en el interior del tunel volcánico:
A - El módulo principal localizado en el interior del tunel, en la zona denominada
Cueva de los Verdes, situada aproximadamente a 1 km de la línea de
costa y a unos 5 km del volcán de la Corona. En él están la mayor parte de los
sensores instalados actualmente.
B - Un segundo módulo observacional situado en la parte del tunel donde se
encuentra situado el centro turístico de Jameos del Agua del Cabildo Insular de
Lanzarote, en el lago natural que se forma en la intersección del tunel con el
océano, donde se observan las mareas con diferencias originadas por la forma,
dimensión y conexión del tubo con el océano.
C - Un tercer módulo está localizado en la Casa de los Volcanes, centro
tuñstico-cultural-científito del Cabildo. En él se encuentran los ordenadores conectados
a los instrumentos instalados en los otros dos módulos. Existe comunicación
telefónica, via modem, entre estos ordenadores y los del IAG en Madrid.
D - El cuarto y último módulo está situado en el Parque Nacional de Timanfaya,
en el suroeste de la isla, en el laboratorio de ICONA, justamente sobre
una de las principales anomalías térmicas.

84 J. Fernández, R. Vieira, A.P. Venedikov y J.L. Díez
Los instrumentos instalados en la EGL, de forma permanente o temporal,
son: tres clinómetros de larga base, dos péndulos horizontales y uno vertical, dos
gravímetros LaCoste Romberg y un extensómetro en la Cueva de los Verdes;
diversos mareógrafos en Jameos del Agua; un gravímetro en la Casa de los Volcanes;
y un gravímetro en Timanfaya. Además se dispone de una serie de instnxmentos
que registran parámetros como son la humedad relativa, presión atmosférica
y temperatura (ambiente, del agua y de la roca), necesarios para la corrección
de las observaciones realizadas con los sensores anteriores y el estudio de las
posibles correlaciones existentes.
4. PROCESO DE DATOS PARA LA DETECCION DE PRECURSORES
Cuando existe una actividad volcánica de importancia, el problema de predicción
inmediata parece generalmente resuelto, por ejemplo, en el famoso Observatorio
Sacurajima (Kamo and Ishihara, 1989) se han observado anomalías
muy rápidas y fuertes en las observaciones de marea que precedían directamente
actividad volcánica.
La situación es diferente cuando existe una larga pausa, como es el caso de
la Islas Canarias, donde se puede esperaruna preparación del evento más tranquila
y lenta. Por tanto, debemos poder detectar anomalías tanto importantes y rápidas
como lentas y pequeñas en las observaciones de marea.
Normalmente se suelen separar las investigaciones en mareas de las investigaciones
en otras deformaciones de la Tierra que están directamente relacionadas
con fenómenos precursores. Nuestro punto de vista es que ambos aspectos deben
estudiarse en paralelo ya que están interrelacionados. La instrumentación y su
instalación son idénticos, y en ambos casos hemos de investigar fenómenos muy
delicados - mareas, ondas muy pequeñas, en el problema de deformación/predicción,
anomalías muy pequeñas. En cualquier caso necesitamos observaciones
realizadas de la forma más cuidadosa posible y con la máxima precisión. Otro
aspecto en favor del uso de las observaciones de marea es que una buena determinación
de la señal de marea puede ser de utilidad en la búsqueda de precursores,
por ejemplo usando el residuo obtenido al restar de la observación la marea
modelada.
Siguiendo estas consideraciones, los programas de ordenador desarrollados
están preparados para determínar:
* Variaciones en las amplitudes y fases de marea.
* Variaciones en el nivel de ruido/error (desviaciones estandar, errores medios
cuadráticos).
* Cambios en el comportamiento de la deriva.
* Saltos o cambios repentinos en las curvas registradas.
En adición a esto, no está tampoco claro cual será la razón o la velocidad
de variación. Parala determinación de una anomalía planteamos el esquema general
reflejado en la Figura 3.

4. Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias. Isla de Lanzarote 85
Datos existentes sin anomalías (ED) Nuevos datos (ND)
Figura 3 -
De una u otra forma, los datos existentes, ED, deben procesarse -y compararse
con una cierta cantidad de nuevos datos ND, digamos n horas. El objetivo es
establecersi existe alguna variación anómalaen los ND. Evidentemente, el número
ir 1 dependerá de la magnitud y razón de la anomalía.
En función del orden de n podemos distinguir:
(5V) - Variaciones lentas, n es del orden de 720 (1 mes)
(DV) - Variaciones diarias, n es del orden de 48 (dos días)
(FV) - Variaciones rápidas (detectadas en tiempo real) n es una o unas pocas
itoras.
Las variaciones 5V y DV se estudian dividiendo el registro en intervalos
InÉ(r) de igual longitud n. Esto puede hacerse siguiendo el esquema descrito en
la Figura 4 o en la Figura 5. Los datos ND ocupan de forma total el último
intervalo, es decir, la longitud n de Nl) es igual a la longitud de cada intervalo
Int(t).
Int(t,)
Int (t,) Int (t 2) Int (t,)
Int(t2)
Int(t,)
Figura 4. Intervalos de longitud n sin solapanoiento.
II
longitud n horas
con un desplazamiento ¡st < n,
por ejemplo ¡st = 1 itora
Figura 5. Intervalos de longitud n con solapamiento.

86 J. Fernández, R. Vieira, A.P. Venedikov y J.L. Díez
Para el estudio de variaciones FV usaremos el esquema descrito en la Figura 6.
En él todos los datos El) se procesan. Cuando una nueva ordenada, Y 0 se registra,
es comparada con los datos El). Se usan los datos ED para predecir una ordenada
Yp que es comparada con Yn, obteniéndose un valor diferencia A = Yo - Yp.
Datos existentes sin anomalías (El)) Y0
1W
Figura 6. Estudio de variaciones rápida, NO es una única ordenada Yn.
Si consideramos la clasificación anterior, parece ser que cubrimos todos los
casos posibles. Los programas de ordenador desarrollados y aplicados por nosotros
pueden detectar las siguientes anomalías o variaciones:
(5V) Amplitudes y fases determinadas a través del análisis de Int(t) de longitud
ir del orden de 720 horas y desplazamientos opcionales.
(DV) Detectadas usando el filtrado de intervalos Int(t) de longitud del orden
de ir 48 horas.
(D.l) Amplitudes y fases determinadas para cada Int(t).
(13.2) Deriva determinada a través del filtrado de lnt(n).
(13.3) Ruido - errores medios cuadráticos determinados para Int(n).
(13.4) Ruido - residuos de valores filtrados para Int(t).
(FV. 1) A través del análisis de todos los datos existentes se estiman los
parámetros de marea. Entonces se calcula Yp como señal de marea
predicha. En este caso A = Yn - Yp estima la deriva+salto en Y0.
(FV.2) Yp se predice como suma de marea+deriva usando todos los datos
existentes, entonces A estima un salto en Y0.
(FV.3) Yp se obtiene usando un filtro de predicción aplicado en un intervalo
de varios días de longitud prediciendo el valor de Yn. Nuevamente
A estima un salto en Y0.
Las variaciones de amplitud y fase se establecen aplicando un procedimiento
de normalización simple (Toro et al., 1992). Esto hace posible usar datos sin
calibración absoluta aunque son necesarias calibraciones relativas. Esto permite
también la determinación de los parámetros de marca con intervalos de tiempo
muy cortos.
5. CONCLUSIONES
En las investigaciones en vigilancia de riesgo volcánicoen la zonade Canarias
realizadas por el IAG y el MNCCNN se está desarrollando un metodología, cuyo
primer paso es la aplicación de un modelo de deformación a la zona activa, o de
posible actividad, considerada. Esto permite estudiar, a la vista de los resultados,

4. Vigilancia del riesgo volcánico en Canarias. Isla de Lanzarote 87
cuales son las técnicas e instrumentos geodésicos a utilizar en la vigilancia de
actividad volcánica y posible predicción de riesgo.
El modelo teórico considerado (Rundle, 1980, 1982; Fernández y Rundle
1993), más realista que los tradicionalmente usados, que no suelen considerar ni
la estratificación ni la existenciade gravedad, ha sido aplicado a la islade Lanzarote
(Fernández, 1992;Fernández et aL, 1993a) dando como resultados más resaltables
la necesidad de disponer de dos estaciones geodinámicas en puntos extremos de
la isla, donde deben instalarse clinómetros de larga base; así como de disponer
de redes geodésicas globales que permitan la resolución del problema inverso en
caso de actividad.
Basándonos en los métodos y programas de análisis utilizados en mareas
terrestres (Venedikov, 1966, 1984) se ha desarrollado programas de tratamiento
de datos que permiten detectar tanto las grandes, como las pequeñas perturbaciones
en las señales registradas, esperables en una zona de actividad moderada como
Canarias. Estos programas de tratamiento de datos son la primera etapa para el
proceso totalmente automático en tiempo real. Para ello se usarán los datos registrados
en los sistemas de adquisición de datos conectados con los ordenadores.
En el aspectoobservacional, se dispone actualmente de un gravímetro LaCoste
Romberg, con método de cero, tres clinómetros de larga base (Water Tubes) (de
15, 10 y 40 m) y un extensómetro horizontal de 40 m en la Cueva de los Verdes
y de un gravímetro LaCoste Romberg en Timanfaya. Se planea instalar otro
clinómetro de larga base en Timanfaya, así como diseñar las redes geodésicas
GPS y gravimétrica en la Isla.
AGRADECIMIENTOS
La investigación descrita se ita desarrollado en el marco de los proyectos
PB9l-0150 (CAICYT) y JOUG-004 (ES) JR, (Programa JOULE de la CEE). A.
P. Venedikov es Profesor dentro del Programa de Sabáticos Complutense.
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